光催化学科的前沿与发展趋势课件.
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光催化材料 ppt课件
12
PPT课件
常见半导体材料的能带结构
Evs.SHE(pH=0)/eV
SiC
ZnS
-1.0
ZrO2
SrTiO3 TiO2 Ta2O5
0.0
Nb2O5 SnO2 ZnO
WO3
3.2 3.2
3.8
3.6
1.0
eV
4.6 5.0
3.2 3.4
2.8
3.0 CdS
H+/H2 (E=0 eV)
2.4
O2/H2O (E=1.23eV)
价带空穴是强氧化剂，而导带电子是强还原剂。
空穴与H2O或OH-结合产生化学性质极为活泼的羟基自由基（ HO . ）
电子与O2结合也会产生化学性质极为活泼的超氧离子自由基等(.O2-, HO . 等)
空穴，自由基都有很强的氧化性，能将有机物直接氧化为CO2, H2O
11
PPT课件
光催化的机理
可以想象一下，在分子的周围，形成了大量的光致电子和 光致空穴，在光的照射下，他们不断产生，又不断复合， 但是从宏观的角度看，在某一时刻，总是有大量的来不及 复合的电子和空穴的存在，他们不断的寻找自己的猎物。
化学气相沉积法
化学气相沉积法（CVD）利用挥发性金属化合物的蒸气通过化学反应生 成所需化合物，该法制备的纳米TiO2粒度细，化学活性高，粒子呈球形， 单分散性好，可见光透过性好，吸收屏蔽紫外线能力强。
该过程易于放大，实现连续化生产，但一次性投资大，同时需要解决粉 体的收集和存放问题.
21
PPT课件
光催化材料TiO2制备方法
纳米TiO2光催化剂的负载
由于粉体的纳米TiO2过程中存在着使 用和回收不便的问题，在实际的应用中 很难利用，因此需要对TiO2进行负载， 以便在实际中得到很好的应用。 研究 人员采用浸渍法、层层组装的方法对纳 米TiO2进行了负载，分别在石棉绳、 玻璃纤维、沸石、分子筛上进行了负载， 得到了较好的结果。
PPT课件
常见半导体材料的能带结构
Evs.SHE(pH=0)/eV
SiC
ZnS
-1.0
ZrO2
SrTiO3 TiO2 Ta2O5
0.0
Nb2O5 SnO2 ZnO
WO3
3.2 3.2
3.8
3.6
1.0
eV
4.6 5.0
3.2 3.4
2.8
3.0 CdS
H+/H2 (E=0 eV)
2.4
O2/H2O (E=1.23eV)
价带空穴是强氧化剂，而导带电子是强还原剂。
空穴与H2O或OH-结合产生化学性质极为活泼的羟基自由基（ HO . ）
电子与O2结合也会产生化学性质极为活泼的超氧离子自由基等(.O2-, HO . 等)
空穴，自由基都有很强的氧化性，能将有机物直接氧化为CO2, H2O
11
PPT课件
光催化的机理
可以想象一下，在分子的周围，形成了大量的光致电子和 光致空穴，在光的照射下，他们不断产生，又不断复合， 但是从宏观的角度看，在某一时刻，总是有大量的来不及 复合的电子和空穴的存在，他们不断的寻找自己的猎物。
化学气相沉积法
化学气相沉积法（CVD）利用挥发性金属化合物的蒸气通过化学反应生 成所需化合物，该法制备的纳米TiO2粒度细，化学活性高，粒子呈球形， 单分散性好，可见光透过性好，吸收屏蔽紫外线能力强。
该过程易于放大，实现连续化生产，但一次性投资大，同时需要解决粉 体的收集和存放问题.
21
PPT课件
光催化材料TiO2制备方法
纳米TiO2光催化剂的负载
由于粉体的纳米TiO2过程中存在着使 用和回收不便的问题，在实际的应用中 很难利用，因此需要对TiO2进行负载， 以便在实际中得到很好的应用。 研究 人员采用浸渍法、层层组装的方法对纳 米TiO2进行了负载，分别在石棉绳、 玻璃纤维、沸石、分子筛上进行了负载， 得到了较好的结果。
第三章 光催化及材料ppt课件
Conduction band
e- e- e- e- e-
0.0
+1.0
Band gap
+2.0
+3.0
h+ h+ h+ h+ h+
Valence band
➢ Charge separation/recombination
➢ Separation of reduction and oxidation ➢ Cont.rol of reverse reaction
深度捕获 10 ns (不可逆）
ecb- + h + ecb- + TiIVOH·+ hvb+ + TiIIIOH
表面电荷转移：
hv or TiIVOH TiIVOH
ps 100ns—s
10ns
etr- + Ox TiIVOH·+ + Red
TiIVOH + Ox ·TiIVOH + Red ·+
很慢 ms 100ns
M.Gratzel, et al, Nature, 1991, 353: 737; Nature,1998, 395: 583; S.U.M. Khan, et al, Science, 2002, 297: 2243.; Z.G.Zou, et al., Nature, 2001, 414, 625.
制约光解水制氢规模化的因素：
1. 光催化效率低
大多数金属氧化物的禁带宽度大于3.0 eV，对太阳能的利用 效率较低；而窄带系半导体硫化物存在光腐蚀，限制其应用。
寻找在可见光范围内稳定而高活性的催化剂！
2. 通常需要牺牲试剂，不能连续分解水制氢
最新二氧化钛光催化材料研究现状和进展专业知识讲座
（2）液相法 液相法制备纳米T iO2主要有胶溶法、沉淀 法、水热法、溶胶-凝胶(sol-gel)法等。 胶溶法：以硫酸氧钛为原料,离子反应生成 沉淀后,经化学絮凝和胶溶制成水溶胶,再以 表面活性剂处理,使溶胶胶粒转化成亲油性 的聚集体。
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• 吸湿性:二氧化钛虽有亲水性，但吸湿性不太强，金红石型较锐钛型为小。
• 二氧化钛的吸湿性与其表面积的大小有一定关系，表面积大，吸湿性高。
• 二氧化钛的吸湿性也与表面处理及性质有关。
• 热稳定性:二氧化钛属于热稳定性好的物质，一般用量为0.01%～0.12%
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•OO + H 2 O H + e→ H 2 O 2+ OH
H2O 2+e → •O+ H OH
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1.3光催化材料
• 在光催化反应中，半导体金属氧化物和硫 化物是被广泛使用的两种催化剂。光催化 性质是这些半导体的独特性能之一。常用 的半导体型金属氧化物有TiO2、ZnO、 ZrO2、WO3和CdO，硫化物有CdS和ZnS。 这些n型半导体材料由于其特殊的电子结构， 具有合适的能带结构，可作为敏化剂来进 行光诱导氧化还原反应。当有能量大于禁 带宽度的光照射时其价带上的电子（e-）被 激发跃迁至导带，在价带上留下相应的空 穴h+），产生光生电子-空穴对。
2.1二氧化钛光催化材料的改造
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• 吸湿性:二氧化钛虽有亲水性，但吸湿性不太强，金红石型较锐钛型为小。
• 二氧化钛的吸湿性与其表面积的大小有一定关系，表面积大，吸湿性高。
• 二氧化钛的吸湿性也与表面处理及性质有关。
• 热稳定性:二氧化钛属于热稳定性好的物质，一般用量为0.01%～0.12%
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•OO + H 2 O H + e→ H 2 O 2+ OH
H2O 2+e → •O+ H OH
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1.3光催化材料
• 在光催化反应中，半导体金属氧化物和硫 化物是被广泛使用的两种催化剂。光催化 性质是这些半导体的独特性能之一。常用 的半导体型金属氧化物有TiO2、ZnO、 ZrO2、WO3和CdO，硫化物有CdS和ZnS。 这些n型半导体材料由于其特殊的电子结构， 具有合适的能带结构，可作为敏化剂来进 行光诱导氧化还原反应。当有能量大于禁 带宽度的光照射时其价带上的电子（e-）被 激发跃迁至导带，在价带上留下相应的空 穴h+），产生光生电子-空穴对。
2.1二氧化钛光催化材料的改造
《光催化氧化技术》课件
应用范围广
光催化氧化技术可应用于水处理、空气净化、自洁材料等领域，具有 广泛的应用前景。
可与其他技术结合
光催化氧化技术可以与其他技术如超声波、电化学等结合使用，提高 降解效率。
技术挑战
对光源的依赖性 催化剂的稳定性
反应条件控制 成本问题
光催化氧化技术需要一定波长的光源照射才能进行，对于一些 难以照射到的地方或特定波长的光源，该技术的应用受到限制
案例二：空气净化
总结词
光催化氧化技术能够去除空气中的有害气体和微生物，对室内和室外空气净化具有重要 作用。
详细描述
光催化氧化技术通过将空气中的有害气体和微生物吸附到光催化剂表面，在光照条件下 被氧化分解为无害物质，从而达到净化空气的目的。该技术可以有效去除甲醛、苯、氨 气等有害气体，以及细菌、病毒、霉菌等微生物，对于改善室内外空气质量具有显著效
02
光催化氧化技术的应用领域
环境保护
去除污染物
光催化氧化技术能够将有机和无 机污染物分解为无害物质，如二 氧化碳和水，从而有效去除空气
和水中污染物。
废水处理
光催化氧化技术可用于处理各种工 业和生活废水，降低水体中的有毒 有害物质含量，达到排放标准。
土壤修复
光催化氧化技术可用于修复被重金 属和有机物污染的土壤，通过分解 污染物降低其对生态系统的危害。
结果分析
根据实验结果，分析光催化氧化反应的机理、影 响因素和优化条件。
3
应用前景
探讨光催化氧化技术在环保、能源等领域的应用 前景。
05
光催化氧化技术的实际案例
案例一：污水处理
总结词
光催化氧化技术在污水处理领域具有显著的应用效果，能够有效降解有机污染物，提高污水处理效率 。
光催化氧化技术可应用于水处理、空气净化、自洁材料等领域，具有 广泛的应用前景。
可与其他技术结合
光催化氧化技术可以与其他技术如超声波、电化学等结合使用，提高 降解效率。
技术挑战
对光源的依赖性 催化剂的稳定性
反应条件控制 成本问题
光催化氧化技术需要一定波长的光源照射才能进行，对于一些 难以照射到的地方或特定波长的光源，该技术的应用受到限制
案例二：空气净化
总结词
光催化氧化技术能够去除空气中的有害气体和微生物，对室内和室外空气净化具有重要 作用。
详细描述
光催化氧化技术通过将空气中的有害气体和微生物吸附到光催化剂表面，在光照条件下 被氧化分解为无害物质，从而达到净化空气的目的。该技术可以有效去除甲醛、苯、氨 气等有害气体，以及细菌、病毒、霉菌等微生物，对于改善室内外空气质量具有显著效
02
光催化氧化技术的应用领域
环境保护
去除污染物
光催化氧化技术能够将有机和无 机污染物分解为无害物质，如二 氧化碳和水，从而有效去除空气
和水中污染物。
废水处理
光催化氧化技术可用于处理各种工 业和生活废水，降低水体中的有毒 有害物质含量，达到排放标准。
土壤修复
光催化氧化技术可用于修复被重金 属和有机物污染的土壤，通过分解 污染物降低其对生态系统的危害。
结果分析
根据实验结果，分析光催化氧化反应的机理、影 响因素和优化条件。
3
应用前景
探讨光催化氧化技术在环保、能源等领域的应用 前景。
05
光催化氧化技术的实际案例
案例一：污水处理
总结词
光催化氧化技术在污水处理领域具有显著的应用效果，能够有效降解有机污染物，提高污水处理效率 。
光催化学科的前沿与发展趋势ppt课件
● Michikazu Hara等通过氮化Ta2O5合成出窄禁带宽度的半导 体TaON和Ta3N5（2.5eV和2.1eV），使其光吸收带边分别拓 展到500nm和600nm左右，从而具备可见光光催化性能[4]。
● Masato Takeuchi等[5]采用离子注入法制备Cr掺杂的TiO2， 光吸收带发生红移，可以在可见光下把NO分解为N2和O2。
2、为解决多相光催化过程效率偏低的问题， 近年来从提高催化剂自身的量子效率和改 进反应过程条件两个方面开展了大量的研 究工作，取得了重要进展。
●采用离子掺杂[10-12]、半导体复合[13-14]、纳米晶粒 制备[15-16]、超强酸化[17-19]等方法，提高光生载流 子的分离效率和抑制电子-空穴的重新复合，在一 定程度上改善了光催化剂的量子效率。
O2p h+ VB
O2/OH-
NHE
Ti Cr , In
42
通过掺杂阴离子调变禁带宽度
CB
Ti3d
UV Vis
VB
CB
eN2p Vis
H+/ H2
UV
O2p
h+ VB
O2/OH-
NHE
O2- N3- , C4-, S2-, P3-
43
光催化学科的前沿与发展趋势
1
●光催化学科是催化化学、光电化学、 半导体物理、材料科学和环境科学等 多学科交叉的新兴研究领域。
2
光催化分解水制氢
H2O
→hv
催化剂
H2 +
½
O2
环境光催化
C6H6 +
7
½
O2
→hv
催化剂
6
CO2 +
3H2O
● Masato Takeuchi等[5]采用离子注入法制备Cr掺杂的TiO2， 光吸收带发生红移，可以在可见光下把NO分解为N2和O2。
2、为解决多相光催化过程效率偏低的问题， 近年来从提高催化剂自身的量子效率和改 进反应过程条件两个方面开展了大量的研 究工作，取得了重要进展。
●采用离子掺杂[10-12]、半导体复合[13-14]、纳米晶粒 制备[15-16]、超强酸化[17-19]等方法，提高光生载流 子的分离效率和抑制电子-空穴的重新复合，在一 定程度上改善了光催化剂的量子效率。
O2p h+ VB
O2/OH-
NHE
Ti Cr , In
42
通过掺杂阴离子调变禁带宽度
CB
Ti3d
UV Vis
VB
CB
eN2p Vis
H+/ H2
UV
O2p
h+ VB
O2/OH-
NHE
O2- N3- , C4-, S2-, P3-
43
光催化学科的前沿与发展趋势
1
●光催化学科是催化化学、光电化学、 半导体物理、材料科学和环境科学等 多学科交叉的新兴研究领域。
2
光催化分解水制氢
H2O
→hv
催化剂
H2 +
½
O2
环境光催化
C6H6 +
7
½
O2
→hv
催化剂
6
CO2 +
3H2O
光催化课件
存在问题： （1）量子产率低（约4%），总反应速率较慢，难以处理量大且浓度 高的工业废气和废水； （2）太阳能利用率低，由于能带结构决定只能吸收利用太阳光中紫外 线部分； （3）光催化剂的负载技术，难以在既保持高的催化活性，又满足特定 材料的物理化学性能要求的前提下，在不同材料表面均匀、牢固地负 载催化剂，使得催化剂不易分离再生。
3.1 氧化钛的能带结构
半导体粒子具有能带结构，一般由填满电子的低能价带（Valence band，VB）和空的高能导带（Conduction band，CB）构成，价带和 导带之间存在禁带。电子填充时，优先从能量低的价带填起。氧化钛 是宽禁带半导体。金红石相禁带宽度3.0eV，锐钛矿相3.2eV。
4、催化剂的寿命。
评价催化剂的3个重要指标： 活性、选择性和稳定性。
TiO2表面性质和结构对反应有重要影响。催化剂表面存 在的晶格缺陷对光催化反应是必要的。
TiO2表面有3种氧缺陷：晶格空位、单桥空位和双桥空位。 TiO2表面能吸附多种无机分子：如CO、SO2、NO、NH3 等。有机分子：如甲烷、甲醇、苯酚、氯代烃等。 表面缺陷越多的TiO2表面越容易吸附气体分子。而结构近 乎完美的TiO2表面，不能吸附SO2、NH3分子。 制成纳米颗粒或薄膜的TiO2，尺寸减少的优势在于对紫外 光的吸收边蓝移，禁带宽度增加，产生更大的氧化还原电位 而向底物的电荷转移和溶剂重组自由能保持不变，这会增加 电荷的转移速率常数，提高量子产率和光催化反应效率。
半导体的吸光阈值g与禁带宽度Eg有密切关系：
g（nm）＝1240/Eg(eV)
多数半导体的吸收波长阈值都在紫外区，不吸收可见光，因此它们 多数是透明的。对锐钛矿TiO2（pH＝1）， g= 387nm。
TiO2是目前最有应用潜力的光催化剂，优点：光照后不发生光腐蚀、 耐酸碱性好、化学性质稳定、对生物无毒性、来源丰富、能隙较大，产 生光生电子和空穴的电势电位高，有很强的氧化还原性、可制成白色或 无色块体和薄膜。
《光催化技术》PPT课件
等多种催化剂，取得了很大进展，紫外光照射纯水的
活性已由最初的几μmol／goh催化剂增大到几百μmol ／goh
2021/3/8
28
东北大学承担了国家自然科学基金项目“光解水
用掺杂稀土新型TiO2半导体电极的研究”，采用溶胶
－凝胶法、气相沉积法等在电极中添加不同稀土及其
它金属氧化物，利用稀土的催化活性及扩展材料吸光
2021/3/8
22
可见光光催化降解有毒有机污染物研究 获重要进展
在国家自然科学基金委，科技部及中科院的支 持下，化学所光化学院重点实验室赵进才研究员 课题组与有机固体院重点实验室帅志刚研究员合 作，在可见光光催化降解有毒有机污染物方面取 得重要进展。研究成果发表在最近一期的 J. Am. Chem. Soc. (2004，126，4782)上。
光催化技术
2021/3/8
宋光辉
1
什么是光催化?
概括说来，就是光触媒在外界可见光的作用下 发生催化作用。
光催化一般是多种相态之间的催化反应。 光触媒在光照条件（可以是不同波长的光照）
下所起到催化作用的化学反应，统称为光反应。
2021/3/8
2
光合作用也可以看作光催化
2021/3/8
3
2021/3/8
由于是借助光的力量促进氧化分解反应，因此后 来将这一现象中的氧化钛称作光触媒。 这种现象相当 于将光能转变为化学能。
2021/3/8
12
几种常用的光触媒
TiO2、 CdS 、 WO3 、ZnO、ZnS、Fe2O3、SnO2等 纳米光触媒：CdS,Fe2O3,TiO2,ZnO等 TiO2的优点：
2021/3/8
10
光触媒
光触媒[PHOTOCATALYSIS] 是 光 [Photo=Light] + 触媒(催化剂)[catalyst] 的合成词。光触媒是一种在光的照射下，自身不起变化，却可以 促进化学反应的物质，光触媒是利用自然界存在的光能转换成为 化学反应所需的能量，来产生催化作用，使周围之氧气及水分子 激发成极具氧化力的 OH - 及 O 2 - 自由负离子。几乎可分解所 有对人体和环境有害的有机物质及部分无机物质，不仅能加速反 应，亦能运用自然界的定侓，不造成资源浪费与附加污染形成。
光催化ppt课件
----抗菌性： 杀灭大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷 伯氏菌、绿脓杆菌、病毒等。 ----空气净化： 分解空气中有机化合物及有毒物质：苯、 甲醛、氨、TVOC等。 ----除臭 ：去除香烟臭、垃圾臭、生活臭等恶臭。 ----防霉防藻： 防止发霉、防止藻类的产生, 防止水垢的附 着。 ----防污自洁：分解油污,自清洁。
16
❖ 半导体结构与绝缘体类似，所不同的是Eg较窄，电 子从价带克服禁带能垒跃迁至导带有两种途径。
❖ 一种可以通过热激发或光激发实现。 ❖ 另一种通过掺杂改变半导体材料的电子分布状况实
现。
17
掺杂半导体
❖ 在半导体中含有少量杂质原子称为掺杂半导体。 ❖ 若掺杂原子的价电子除了成键外还有剩余，则为施
高效光催化材料的设计、 制备与应用
1
内容
❖ 发展背景 ❖ 能带理论 ❖ 光催化理论 ❖ 光催化反应的影响因素 ❖ 光催化材料的结构与性能 ❖ 光催化剂的制备方法 ❖ 光催化剂的表征方法 ❖ 光催化材料的应用 ❖ 存在的问题与展望
2
背景、发展
❖ 1967年还是东京大学研究生的藤岛昭教授，在一次试验中对 放入水中的氧化钛单结晶进行了光线照射，结果发现水被分 解成了氧和氢。由于是借助光的力量促进氧化分解反应，因 此后来将这一现象中 的氧化钛称作光触媒。
❖ 随着研究深入，人们发现半导体光催化技术在去除污 染物等方面，具有能耗低、氧化能力强、反应条件温 和、操作简便，可减少二次污染等突出特点，有广阔 应用前景。
4
❖ 1992年第一次二氧化钛光触媒国际研讨会在加拿大举行， 日本发表许多关于光触媒的新观念，并提出应用于氮氧 化物净化的研究成果。此后，光触媒应用于抗菌、防污、 空气净 化等领域的相关研究急剧增加。
16
❖ 半导体结构与绝缘体类似，所不同的是Eg较窄，电 子从价带克服禁带能垒跃迁至导带有两种途径。
❖ 一种可以通过热激发或光激发实现。 ❖ 另一种通过掺杂改变半导体材料的电子分布状况实
现。
17
掺杂半导体
❖ 在半导体中含有少量杂质原子称为掺杂半导体。 ❖ 若掺杂原子的价电子除了成键外还有剩余，则为施
高效光催化材料的设计、 制备与应用
1
内容
❖ 发展背景 ❖ 能带理论 ❖ 光催化理论 ❖ 光催化反应的影响因素 ❖ 光催化材料的结构与性能 ❖ 光催化剂的制备方法 ❖ 光催化剂的表征方法 ❖ 光催化材料的应用 ❖ 存在的问题与展望
2
背景、发展
❖ 1967年还是东京大学研究生的藤岛昭教授，在一次试验中对 放入水中的氧化钛单结晶进行了光线照射，结果发现水被分 解成了氧和氢。由于是借助光的力量促进氧化分解反应，因 此后来将这一现象中 的氧化钛称作光触媒。
❖ 随着研究深入，人们发现半导体光催化技术在去除污 染物等方面，具有能耗低、氧化能力强、反应条件温 和、操作简便，可减少二次污染等突出特点，有广阔 应用前景。
4
❖ 1992年第一次二氧化钛光触媒国际研讨会在加拿大举行， 日本发表许多关于光触媒的新观念，并提出应用于氮氧 化物净化的研究成果。此后，光触媒应用于抗菌、防污、 空气净 化等领域的相关研究急剧增加。
光催化演示课件
16
❖ 半导体结构与绝缘体类似，所不同的是Eg较窄，电 子从价带克服禁带能垒跃迁至导带有两种途径。
❖ 一种可以通过热激发或光激发实现。 ❖ 另一种通过掺杂改变半导体材料的电子分布状况实
现。
17
掺杂半导体
❖ 在半导体中含有少量杂质原子称为掺杂半导体。 ❖ 若掺杂原子的价电子除了成键外还有剩余，则为施
7
❖ 近20年来，半导体光催化氧化技术获得了较大发展， 国内外围绕着半导体光催化材料的制备、改性、表
征、作用机理和应用等方面进行研究。这对开发新
型高效的污染物处理技术必将起到重大推动作用。 ❖ 常见的光催化剂有哪些？
8
❖ 光触媒的材料众多，包括TiO2、ZnO、SnO2、Fe2O3、ZrO2、 CdS等半导体，在早期曾使用CdS和ZnO作为光触媒材料， 但是二者的化学性质不稳定，会在光催化的同时发生光溶解， 溶出有害的金属离子，故仅部分工业光催化领域还在使用。
41
❖ 催化剂的影响 光催化剂带隙宽度决定光的利用率，不同催化剂活性不同。 同种光催化剂对不同的反应效果会显著不同，即使这些相同， 由于催化剂的结构和表面形态的区别，如催化剂晶型结构、 晶格缺陷、晶粒尺寸及其表面积等，使光催化活性也有差异。 催化剂结构如何能影响光催化活性？
42
光催化材料的结构与性能
高效光催化材料的设计、 制备与应用
1
内容
❖ 发展背景 ❖ 能带理论 ❖ 光催化理论 ❖ 光催化反应的影响因素 ❖ 光催化材料的结构与性能 ❖ 光催化剂的制备方法 ❖ 光催化剂的表征方法 ❖ 光催化材料的应用 ❖ 存在的问题与展望
2
背景、发展
❖ 1967年还是东京大学研究生的藤岛昭教授，在一次试验中对 放入水中的氧化钛单结晶进行了光线照射，结果发现水被分 解成了氧和氢。由于是借助光的力量促进氧化分解反应，因 此后来将这一现象中 的氧化钛称作光触媒。
❖ 半导体结构与绝缘体类似，所不同的是Eg较窄，电 子从价带克服禁带能垒跃迁至导带有两种途径。
❖ 一种可以通过热激发或光激发实现。 ❖ 另一种通过掺杂改变半导体材料的电子分布状况实
现。
17
掺杂半导体
❖ 在半导体中含有少量杂质原子称为掺杂半导体。 ❖ 若掺杂原子的价电子除了成键外还有剩余，则为施
7
❖ 近20年来，半导体光催化氧化技术获得了较大发展， 国内外围绕着半导体光催化材料的制备、改性、表
征、作用机理和应用等方面进行研究。这对开发新
型高效的污染物处理技术必将起到重大推动作用。 ❖ 常见的光催化剂有哪些？
8
❖ 光触媒的材料众多，包括TiO2、ZnO、SnO2、Fe2O3、ZrO2、 CdS等半导体，在早期曾使用CdS和ZnO作为光触媒材料， 但是二者的化学性质不稳定，会在光催化的同时发生光溶解， 溶出有害的金属离子，故仅部分工业光催化领域还在使用。
41
❖ 催化剂的影响 光催化剂带隙宽度决定光的利用率，不同催化剂活性不同。 同种光催化剂对不同的反应效果会显著不同，即使这些相同， 由于催化剂的结构和表面形态的区别，如催化剂晶型结构、 晶格缺陷、晶粒尺寸及其表面积等，使光催化活性也有差异。 催化剂结构如何能影响光催化活性？
42
光催化材料的结构与性能
高效光催化材料的设计、 制备与应用
1
内容
❖ 发展背景 ❖ 能带理论 ❖ 光催化理论 ❖ 光催化反应的影响因素 ❖ 光催化材料的结构与性能 ❖ 光催化剂的制备方法 ❖ 光催化剂的表征方法 ❖ 光催化材料的应用 ❖ 存在的问题与展望
2
背景、发展
❖ 1967年还是东京大学研究生的藤岛昭教授，在一次试验中对 放入水中的氧化钛单结晶进行了光线照射，结果发现水被分 解成了氧和氢。由于是借助光的力量促进氧化分解反应，因 此后来将这一现象中 的氧化钛称作光触媒。
光催化材料的应用前景和发展趋势_概述及解释说明
光催化材料的应用前景和发展趋势概述及解释说明1. 引言1.1 概述光催化材料是一种具有特殊结构和性质的材料，能够利用光能激发电子和产生化学反应。
随着环境污染和能源危机问题日益突出，光催化材料在环境净化和能源领域中的应用前景备受关注。
通过研究光催化材料的特点和应用领域，可以为解决环境问题和改善能源供应提供新的思路和方法。
1.2 文章结构本文分为五个部分进行阐述：引言、光催化材料的概念和特点、光催化材料在能源领域中的应用前景与发展趋势、光催化材料在环境污染治理中的应用前景与发展趋势以及结论部分。
其中引言部分将介绍文章背景、目的以及整体结构。
1.3 目的本文旨在全面介绍光催化材料在环境净化和能源领域中的应用前景与发展趋势。
首先，将概述光催化材料的基本概念和特点，以便读者对其有一个清晰的认识。
随后，将详细探讨光催化材料在能源领域中的应用，包括光电转换、光解水制氢以及二氧化碳还原反应等方面。
接着，将阐述光催化材料在环境污染治理中的潜在应用，包括有机污染物去除、大气净化和水处理等方面。
最后，通过总结光催化材料应用前景、分析发展光催化材料的必要性和挑战，并提出未来光催化材料研究的发展方向，为相关领域的研究人员和决策者提供参考。
以上是“1. 引言”部分内容的详细说明。
2. 光催化材料的概念和特点2.1 光催化反应基本原理光催化是一种利用光能激发物质发生化学反应的方法。
在光催化过程中，材料吸收光能并将其转化为活性电子或空穴，从而促使与之接触的物质发生化学变化。
这种催化过程主要通过吸收可见光或紫外线光来实现。
在光催化反应中，通常采用半导体材料作为催化剂。
当光照射到半导体表面时，电子从价带跃迁到导带，产生电子空穴对。
这些带有高度活性的电荷对可以参与氧气和水等物质的氧化还原反应，从而产生具有氧化或还原作用的自由基、羟基离子等活性物质。
通过这些活性物质的相互作用，污染物可以被降解或转化为无害的物质。
2.2 光催化材料的分类及特点根据不同材料性质和结构特点，光催化材料可以分为多种类型。
光催化剂的研究与展望ppt
提高TiO2光催化活性的途径
目前的TiO2光催化剂存在两个问题：
①效率低
解决方法：
②只能吸收紫外光
金属离子掺杂修饰 非金属离子掺杂 半导体复合 染料光敏化
离子掺杂
过渡金属离子
V、Ni、Rh、Cd、Cu、Fe、Co 等
TiO2的结构与性质
P25是70:30％锐钛矿-金红石混合物
TiO6
Ti O
金红石型
锐钛矿型
具有锐钛矿，金红石及板钛矿三种晶体结构，只 有锐钛矿结构和金红石结构具有光催化特性
TiO2催化基理及当前研究现状
导 导 导 带 禁 价 带 价 带 禁 带 带 带 带
总结
TiO2光催化剂的可见光化研究, 将为人类充分利用太阳能, 改 善人类生活环境迈出重要的一步。经过世界各国科学家的共同努 力, TiO2可见光化研究虽然已经取得了一定的进展, 对TiO2的各种 改性方法或多或少都提高了太阳能的利用率。 但从目前的研究成果看,可见光催化或能量转换效率还普遍偏 低, 对各种改性方法的光催化机理存在争议,并且由于光催化反应 体系的复杂性，动力学研究存在许多困难，实际应用过程中载体 性质与负载方法对光催化剂活性的影响等问题仍需进一步深入探 讨。 因此可见光TiO2光催化剂的研制仍将是今后的研究热点。
稀土金属离子
贵金属离子
La、Ce、Er、Pr、Gd、Nd、Sm 等
Au、Ag、Pt、Ru 等 N、C、S及卤素
无机离子以及其它离子
掺杂某些金属元素后，会在TiO2禁带中形成新能级，使吸收光 谱向可见光方向移动。
金属离子可捕获导带中的电子，抑制电子和空穴的复合，但是
掺杂浓度过高，金属离子可能成为电子空穴复合中心。两者综合 作用的结果就形成一个波峰，金属离子的掺杂浓度对TiO2光催化
光催化学科的前沿与发展趋势
●采用离子掺杂[10-12]、半导体复合[13-14]、纳米晶粒 制备[15-16]、超强酸化[17-19]等方法，提高光生载流 子的分离效率和抑制电子-空穴的重新复合，在一 定程度上改善了光催化剂的量子效率。 ●值得注意的是，近年来通过外场（电场、微波场 [20-21] 、磁场 [22] 、超声波 [23] 、热场 [24] 等）与光催 化耦合来提高多相光催化过程效率，做了许多有 益的探索。
（4）研究经费：基础研究经费投入少，特别是光催化
分解水方面的基础研究经费极少。
●从上面的分析可以看出，我国的光催化研 究整体上已经进入快速发展期，已成为国 际光催化领域的一支重要研究力量，加上 我国对环境保护、能源开发的巨大需求和 市场背景，进一步加大对光催化基础和应 用研究的支持力度，促进光催化学科的发 展是十分必要的。
（2）太阳能利用率低
由于TiO2半导体的能带结构(Eg=3.2eV)决定了其只能 吸收利用紫外光或太阳光中的紫外线部分(太阳光中紫外辐 射仅占~5 %)。
（3）多相光催化反应机理尚不十分明确
以半导体能带理论为基础的光催化理论难以解释许多 实验现象，使得改进和开发新型高效光催化剂的研究工作 盲目性大。
O2p h+
VB
VB
NHE
Ti Cr , In
通过掺杂阴离子调变禁带宽度
CB
Ti3d UV Vis N2p O2p eH+/ H2
CB
Vis
UV
O2/OH-
h+ VB NHE
VB
O2- N3- , C4-, S2-, P3-
光催化学科的前沿与发展趋势
付贤智
（福州大学光催化研究所）
●光催化学科是催化化学、光电化学、
（4）研究经费：基础研究经费投入少，特别是光催化
分解水方面的基础研究经费极少。
●从上面的分析可以看出，我国的光催化研 究整体上已经进入快速发展期，已成为国 际光催化领域的一支重要研究力量，加上 我国对环境保护、能源开发的巨大需求和 市场背景，进一步加大对光催化基础和应 用研究的支持力度，促进光催化学科的发 展是十分必要的。
（2）太阳能利用率低
由于TiO2半导体的能带结构(Eg=3.2eV)决定了其只能 吸收利用紫外光或太阳光中的紫外线部分(太阳光中紫外辐 射仅占~5 %)。
（3）多相光催化反应机理尚不十分明确
以半导体能带理论为基础的光催化理论难以解释许多 实验现象，使得改进和开发新型高效光催化剂的研究工作 盲目性大。
O2p h+
VB
VB
NHE
Ti Cr , In
通过掺杂阴离子调变禁带宽度
CB
Ti3d UV Vis N2p O2p eH+/ H2
CB
Vis
UV
O2/OH-
h+ VB NHE
VB
O2- N3- , C4-, S2-, P3-
光催化学科的前沿与发展趋势
付贤智
（福州大学光催化研究所）
●光催化学科是催化化学、光电化学、
最新二氧化钛光催化材料研究现状和进展专业知识讲座
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T2 i h O v T2 i h O e O2+e →•O2 H 2O +h+→ •O+ H H +H 2OO 2→ OO O HH
OHh→OH
2OO → O 2 H H 2 O 2
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• 若半导体此时处于溶液中,则在电场作用下, 电子与空穴分离并迁移到粒子表面的不同位 置。
• 光生空穴具有很强的得电子能力,具有强氧化 性,可夺取半导体表面的有机物或溶剂中的电 子,使原本不吸收入射光的物质被活化氧化, 而电子受体则可以通过接受表面上的电子而 被还原。
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• 水溶液中的光催化氧化反应,在半导体表面 失去电子的主要是水分子,水分子经催化后 生成氧化能力极强的羟基自由基•OH, •OH 是水中存在的氧化剂中反应活性最强的,而 且对作用物几乎无选择性。
二氧化钛的理化性质
• 二氧化钛，白色固体或粉末状的两性氧化物，是 最好的白色颜料，俗称钛白。钛白的粘附力强， 不易起化学变化，永远是雪白的。特别可贵的是 钛白无毒。它的熔点很高，被用来制造耐火玻璃， 釉料，珐琅、陶土、耐高温的实验器皿等。
• 二氧化钛可由金红石用酸分解提取，或由四氯化 钛分解得到。二氧化钛性质稳定，大量用作油漆 中的白色颜料，它具有良好的遮盖能力，和铅白 相似，但不像铅白会变黑；它又具有锌白一样的 持久性。二氧化钛还用作搪瓷的消光剂，可以产 生一种很光亮的、硬而耐酸的搪瓷釉罩面。
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● Michikazu Hara等通过氮化Ta2O5合成出窄禁带宽度的半导 体TaON和Ta3N5（2.5eV和2.1eV），使其光吸收带边分别拓 展到500nm和600nm左右，从而具备可见光光催化性能[4]。 ● Masato Takeuchi等[5]采用离子注入法制备Cr掺杂的TiO2， 光吸收带发生红移，可以在可见光下把NO分解为N2和O2。 ●R. Asahi等[6]采用N置换式掺杂得到的TiO2-xNx在可见光条件 下对亚甲基蓝和气态乙醛的光催化活性以及负载型 TiO2-xNx 薄膜的亲水性都高于TiO2。（Science，2001）
2、学科发展方向
从理论和应用上解决可见光光催化和提高 光催化过程效率这两个重大难题，应是光催化 学科的发展方向。
前沿课题和研究重点：
（1）可见光诱导并具有高量子效率的新型光催化剂研制
（能带调变，非TiO2光催化剂）； （2）多相光催化反应机理研究及形成基于分子水平的光 催化理论体系的探讨（原位表征和超快 时间分辨技 术研究光生载流子的迁移传输规律）；
硫化物ZnInevca. evca. evca. evca. evca. evca. 2S4上可见光催化分解水制氢
2.4 2.0
1st run 2nd run 3rd run
fresh solution
4th run 5th run
fresh solution
6th run
fresh solution
光吸收
生成空穴
理
●光催化技术在众多领域具有广阔的应用
前景和重大社会经济效益
洁净能源 空气、水净化
国防军事
医疗卫生
光催化技术
建筑材料 家用电器
纺织工业 汽车工业
●光催化受到科学界、政府部门及企业界的
高度重视，投入了大量的资金和研究力量 开展光催化基础理论、应用技术开发及工 程化研究，使得光催化成为近年来国内外 最活跃的研究领域之一。
光催化学科的前沿与发展趋势
付贤智
（福州大学光催化研究所）
●光催化学科是催化化学、光电化学、
半导体物理、材料科学和环境科学等 多学科交叉的新兴研究领域。
光催化分解水制氢
H2O
催化剂
→ H2 + ½ O2
hv
环境光催化
C6H6 + 7 ½ O2 催化剂 → 6 CO2 + 3H2O
hv
●环境和能源是二十一世纪人类面临和
●赵进才等人 [7]用 β-环糊精和有生物活性的小分子
血晶素合成了一种金属-有机络合物（CDH），该 络合物在可见光下可以活化 H2O2，把水中的若丹 明B（RhB）和2，4-二氯苯酚（DCP）等有机污 染物氧化和矿化。
●最近，李灿等人采用水热合成制备出具有可见光
活性的光解水ZnIn2S4新型催化剂[8]。
（4）光催化应用中的技术难题
如在液相反应体系中光催化剂的负载技术和分离回收 技术，在气相反应体系中光催化剂的成膜技术及光催化剂 活性稳定性问题。
上述关键问题也是目前国内外光催化 领域的研究焦点，围绕这些问题开展进一 步的研究不仅可望在光催化基础理论方面 获得较大的突破，而且有利于促进光催化 技术真正能在上述众多领域得到大规模广 泛工业应用。
Amount of H2 / mmol
1.6 1.2 0.8 0.4 0.0 0 24 48 72 96 120 150 144
*
Time / hour
Zhibin Lei and Can Li et al, Chem. Commun., 2003, 2142..
2、为解决多相光催化过程效率偏低的问题， 近年来从提高催化剂自身的量子效率和改 进反应过程条件两个方面开展了大量的研 究工作，取得了重要进展。
亟待解决的重大问题。光催化以其室 温深度反应和可直接利用太阳光作为 光源来驱动反应等独特性能而成为一 种理想的环境污染治理技术和洁净能 源生产技术。
光 催
A
A 还 原
_
hν
导带
化
原
价带
hν= Eg
D 氧 化 D+
理
NHE(pH=0)
hν
导带 激发电子
光 解
0.0eV H+/H2
水
原
1.23eV O2/H2O 价带
●采用离子掺杂[10-12]、半导体复合[13-14]、纳米晶粒 制备[15-16]、超强酸化[17-19]等方法，提高光生载流 子的分离效率和抑制电子-空穴的重新复合，在一 定程度上改善了光催化剂的量子效率。 ●值得注意的是，近年来通过外场（电场、微波场 [20-21] 、磁场 [22] 、超声波 [23] 、热场 [24] 等）与光催 化耦合来提高多相光催化过程效率，做了许多有 益的探索。
（2）太阳能利用率低
由于TiO2半导体的能带结构(Eg=3.2eV)决定了其只能 吸收利用紫外光或太阳光中的紫外线部分(太阳光中紫外辐 射仅占~5 %)。
（3）多相光催化反应机理尚不十分明确
以半导体能带理论为基础的光催化理论难以解释许多 实验现象，使得改进和开发新型高效光催化剂的研究工作 盲目性大。
一、光催化领域的重大科技问题 与学科发展趋势
1、重大科技问题
目前以二氧化钛为基础的半导体光催化存 在一些关键科学技术难题，使其广泛的工业应 用受到极大制约，而这些问题的解决则有赖于 深入系统的基础研究。
最突出的问题在于：
（1）量子效率低（～4%）
难以处理量大且浓度高的废气和废水，难以实现光催 化分解水制氢的产业化。
（3）光催化膜功能材料的研究（成膜机理、性能）；
（4）光催化在环境污染治理和光解水制氢等领域的应用 研究。
二、光催化领域的最新研究进展
近年来，光催化的基础与应用研究 发展非常迅速，特别是在可见光诱导 的新型光催化剂的研究、提高光催化 过程效率的研究和光催化功能材料的 研究等方面都取得了重要进展。
1、可见光诱导的光催化剂研究方面取得 重大突破
采用固相合成、过渡金属离子和非金 属离子掺杂、金属-有机络合物、表面敏化、 半导体复合等多种方法，制备出了一系列 新型非二氧化钛系或二氧化钛基可见光光 催化材料，这些材料在可见光的照射下， 能将H2O分解为H2和O2，或能有效降解空 气、水中的有机和无机污染物。
● Zhigang Zou等采用高温固相合成法，制备出可见光活性的 In1-xNixTaO4 催化剂并应用于光解水制氢 [1] 、随后又研制出 InVO4 [2]、NiM2O6 (M=Nb,Ta) [3]等系列可见光活性的光Biblioteka 水 催化剂。（Nature，2001)
2、学科发展方向
从理论和应用上解决可见光光催化和提高 光催化过程效率这两个重大难题，应是光催化 学科的发展方向。
前沿课题和研究重点：
（1）可见光诱导并具有高量子效率的新型光催化剂研制
（能带调变，非TiO2光催化剂）； （2）多相光催化反应机理研究及形成基于分子水平的光 催化理论体系的探讨（原位表征和超快 时间分辨技 术研究光生载流子的迁移传输规律）；
硫化物ZnInevca. evca. evca. evca. evca. evca. 2S4上可见光催化分解水制氢
2.4 2.0
1st run 2nd run 3rd run
fresh solution
4th run 5th run
fresh solution
6th run
fresh solution
光吸收
生成空穴
理
●光催化技术在众多领域具有广阔的应用
前景和重大社会经济效益
洁净能源 空气、水净化
国防军事
医疗卫生
光催化技术
建筑材料 家用电器
纺织工业 汽车工业
●光催化受到科学界、政府部门及企业界的
高度重视，投入了大量的资金和研究力量 开展光催化基础理论、应用技术开发及工 程化研究，使得光催化成为近年来国内外 最活跃的研究领域之一。
光催化学科的前沿与发展趋势
付贤智
（福州大学光催化研究所）
●光催化学科是催化化学、光电化学、
半导体物理、材料科学和环境科学等 多学科交叉的新兴研究领域。
光催化分解水制氢
H2O
催化剂
→ H2 + ½ O2
hv
环境光催化
C6H6 + 7 ½ O2 催化剂 → 6 CO2 + 3H2O
hv
●环境和能源是二十一世纪人类面临和
●赵进才等人 [7]用 β-环糊精和有生物活性的小分子
血晶素合成了一种金属-有机络合物（CDH），该 络合物在可见光下可以活化 H2O2，把水中的若丹 明B（RhB）和2，4-二氯苯酚（DCP）等有机污 染物氧化和矿化。
●最近，李灿等人采用水热合成制备出具有可见光
活性的光解水ZnIn2S4新型催化剂[8]。
（4）光催化应用中的技术难题
如在液相反应体系中光催化剂的负载技术和分离回收 技术，在气相反应体系中光催化剂的成膜技术及光催化剂 活性稳定性问题。
上述关键问题也是目前国内外光催化 领域的研究焦点，围绕这些问题开展进一 步的研究不仅可望在光催化基础理论方面 获得较大的突破，而且有利于促进光催化 技术真正能在上述众多领域得到大规模广 泛工业应用。
Amount of H2 / mmol
1.6 1.2 0.8 0.4 0.0 0 24 48 72 96 120 150 144
*
Time / hour
Zhibin Lei and Can Li et al, Chem. Commun., 2003, 2142..
2、为解决多相光催化过程效率偏低的问题， 近年来从提高催化剂自身的量子效率和改 进反应过程条件两个方面开展了大量的研 究工作，取得了重要进展。
亟待解决的重大问题。光催化以其室 温深度反应和可直接利用太阳光作为 光源来驱动反应等独特性能而成为一 种理想的环境污染治理技术和洁净能 源生产技术。
光 催
A
A 还 原
_
hν
导带
化
原
价带
hν= Eg
D 氧 化 D+
理
NHE(pH=0)
hν
导带 激发电子
光 解
0.0eV H+/H2
水
原
1.23eV O2/H2O 价带
●采用离子掺杂[10-12]、半导体复合[13-14]、纳米晶粒 制备[15-16]、超强酸化[17-19]等方法，提高光生载流 子的分离效率和抑制电子-空穴的重新复合，在一 定程度上改善了光催化剂的量子效率。 ●值得注意的是，近年来通过外场（电场、微波场 [20-21] 、磁场 [22] 、超声波 [23] 、热场 [24] 等）与光催 化耦合来提高多相光催化过程效率，做了许多有 益的探索。
（2）太阳能利用率低
由于TiO2半导体的能带结构(Eg=3.2eV)决定了其只能 吸收利用紫外光或太阳光中的紫外线部分(太阳光中紫外辐 射仅占~5 %)。
（3）多相光催化反应机理尚不十分明确
以半导体能带理论为基础的光催化理论难以解释许多 实验现象，使得改进和开发新型高效光催化剂的研究工作 盲目性大。
一、光催化领域的重大科技问题 与学科发展趋势
1、重大科技问题
目前以二氧化钛为基础的半导体光催化存 在一些关键科学技术难题，使其广泛的工业应 用受到极大制约，而这些问题的解决则有赖于 深入系统的基础研究。
最突出的问题在于：
（1）量子效率低（～4%）
难以处理量大且浓度高的废气和废水，难以实现光催 化分解水制氢的产业化。
（3）光催化膜功能材料的研究（成膜机理、性能）；
（4）光催化在环境污染治理和光解水制氢等领域的应用 研究。
二、光催化领域的最新研究进展
近年来，光催化的基础与应用研究 发展非常迅速，特别是在可见光诱导 的新型光催化剂的研究、提高光催化 过程效率的研究和光催化功能材料的 研究等方面都取得了重要进展。
1、可见光诱导的光催化剂研究方面取得 重大突破
采用固相合成、过渡金属离子和非金 属离子掺杂、金属-有机络合物、表面敏化、 半导体复合等多种方法，制备出了一系列 新型非二氧化钛系或二氧化钛基可见光光 催化材料，这些材料在可见光的照射下， 能将H2O分解为H2和O2，或能有效降解空 气、水中的有机和无机污染物。
● Zhigang Zou等采用高温固相合成法，制备出可见光活性的 In1-xNixTaO4 催化剂并应用于光解水制氢 [1] 、随后又研制出 InVO4 [2]、NiM2O6 (M=Nb,Ta) [3]等系列可见光活性的光Biblioteka 水 催化剂。（Nature，2001)